Se cree que la familia Ursidae se separó de los otros carnívoros hace aproximadamente 38 millones de años. La subfamilia Ursinae se originó hace unos 4,2 millones de años. Según la evidencia fósil y los análisis de ADN, hace solo 150 000 años ocurrió la divergencia de esta especie y el oso pardo (Ursus arctos).⁴​ El fósil de oso polar más antiguo que se conoce data de hace aproximadamente 130 000 a 110 000 años y se halló en la isla Príncipe Carlos Forland, en 2004.⁴​ Los fósiles muestran que hace entre 10 000 y 20 000 años, los molares del oso polar diferían significativamente con respecto a los del oso pardo. Es posible que la especie se haya originado a partir de una población aislada de osos pardos, sometida a una fuerte presión genética durante las glaciaciones del Pleistoceno.⁵​

Estudios genéticos realizados posteriormente muestran que incluso algunas poblaciones de oso pardo se encuentran más relacionadas al oso polar que con otras de su misma especie;⁶​ esto implica que el oso polar no cumple con algunas de las definiciones de especie.

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